物理知识系列讲座（一）——物理学对物质世界的基本认识

    5——物理学与数学的关系及物理学认识的真理性

一、物理现象的数学描述与物理规律的数学表达

  物理现象需要数学去描述，物理规律需要数学去表达。数学是物理学必不可少的最精确、最简洁的语言和工具。数学的运用使物理学由实验学科走向定量的理论学科。物理学所有的定律、定理、物理量无不具有确定而又简明的数学表达形式。数学通过抽象化、形式化的语言来反映事物的本质。要说明某些物理现象之间的联系或各种物理量之间的关系以及物理量的变化都必须以简洁而精确的数学公式的形式表达出来。如牛顿定律、麦克斯韦电磁理论等用数学语言将物理图象描述得十分清晰而严谨。尤其是理论物理学强烈地表现出对数学的依赖性，数学在其中发挥了关键的作用。运用数学所提供的概念、方法和计算技巧对自然现象进行描述，能帮助人们对事物的性质及其发展变化做出精确的分析判断、预测，从而揭示自然规律的物理本质。没有数学，就没有定量的物理科学，人们对客观世界的认识就不会那么准确。反过来，物理学的发展也促进了数学的发展。

二、相对真理与绝对真理的辨证统一

  物质的运动、发展过程，都具有某种确定不移的基本秩序，这就是物质运动的规律性。自然科学的任务就是去寻求和研究自然界各个领域的客观规律性，而决不是去创造、改变这些规律。因而包括物理学在内的自然科学的规律必然具有客观的性质，是不以人的意志为转移的。例如力学研究机械运动的规律，热学研究物质热运动规律，原子物理、原子核物理研究原子、原子核内的运动规律，粒子物理学研究基本粒子的运动规律，等等。这些物理学规律，是以大量的观察、实验所得到的事实为基础并通过抽象概括而建立起来的，它较真实地反映了客观世界的基本秩序，因而包含了绝对真理的成分。

  然而，客观世界本身是不断发展变化的，人们对客观真理的认识是不断发展完善的且永远没有完结，因而作为反映客观事物及其发展规律的科学知识也只能是有条件的、相对的。况且，某一种规律也并不包括现象中的一切联系，而只包括某些方面主要的起决定作用的联系。某一规律并不反映事物的一切运动变化，而只反映某一方面的主要过程和基本趋向。例如，惯性定律表明的是物体在无外力作用下运动状态不变，理想气体状态方程只对温度较高、压强较小时的气体成立，牛顿力学只适用于研究宏观低速运动的物体而不适应于微观、高速运动的客体，等等。因此，任何具体的认识成果毕竟只是相对真理。物理学是建立在实验基础之上的，而无论什么实验都不可能绝对精确，而且总是只对主要的基本联系加以考虑，实际现象常常被简单化、理想化了，因而建立的物理学规律只是近似的，每一个定律只有在它的适应范围内才是正确的。任何一个科学原理，就其对有限事物的认识来说，它是相对的、非永恒的；就其反映了客观规律来说，它又是绝对的、永恒的。所以它既是相对真理、又包含了绝对真理的因素，是相对真理与绝对真理的辩证统一。绝对真理寓于相对真理之中，绝对真理是由发展中的相对真理的总和构成的。

   热力学第二定律的巨大成功使物理学家对它推论的一切结论深信不疑。按照这一定律。宇宙中的高温物体都将自动地将热量传向低温物体，最终宇宙将趋于温度均匀，进入死亡的“热寂”状态，这个结论当然是十分荒谬的。事实上，热力学第二定律只是在有限空间和有限时间中得出的一个相对真理，要把这一相对真理推广到广阔无垠的宇宙中去是不可行的，宇宙的奥妙是无穷的。量子力学在低速微观领域对经典物理的否定以及它所取得的成就并不能说明它是绝对正确的。事实上，量子力学也只是一个相对真理，超出一定范围，它必然要被更先进的理论所代替。例如在高速微观领域，它要被相对论量子力学代替。人类对自然的探索是永无止境的，因而所获得的一切真理只具有相对意义。物理学的发展是由相对真理到绝对真理的不断趋近，永远不会停息。